数字钟电路pcb设计

I摘要本设计针对数字钟PCB板设计较为复杂的问题，利用国内知名度较高、应用最广泛的电路辅助设计软件protel99se进行了电路板的设计。本设计介绍了各部分电路的构成及准确完成了数字钟PCB电路板的设计。本设计数字钟原理图分析入手，说明了在平台中完成原理图设计，电气检测，网络表生成，PCB设计的基本操作程序。数字钟的主要电路是由电源电路、显示电路、校时电路、晶体振荡电路组成。PCB是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。PCB的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。关键词：数字钟；PCB；原理图；芯片II目录前言…………………………………………………………………………………1第一章绪论………………………………………………………………………21.1数字钟的研究背景和意义……………………………………………………21.2数字钟的发展和趋势…………………………………………………………2第二章系统电路的绘制…………………………………………………………32.1电路组成方框图………………………………………………………………32.2电路原理图制作………………………………………………………………32.2.1原理图环境设置……………………………………………………………42.2.2绘制原理图…………………………………………………………………52.2.3电气规则检查及网络表输出………………………………………………72.3原理图分析…………………………………………………………………102.3.1晶体振荡器…………………………………………………………………102.3.2分频器………………………………………………………………………112.3.3计数器电路…………………………………………………………………122.3.4显示和译码电路……………………………………………………………122.3.5电源电路……………………………………………………………………13第三章电路板PCB设计………………………………………………………143.1PCB设计规范………………………………………………………………143.2PCB设计流程………………………………………………………………173.3输出光绘文件………………………………………………………………213.4PCB制件作…………………………………………………………………23心得体会…………………………………………………………………………25参考文献…………………………………………………………………………26附图………………………………………………………………………………27附表………………………………………………………………………………281前言PCB（PrintedCircuitBoard），中文名称为印制线路板，简称印制板，是电子工业的重要部件之一。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机，通讯电子设备，军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，为了它们之间的电气互连，都要使用印制板。在较大型的电子产品研究过程中，最基本的成功因素是该产品的印制板的设计、文件编制和制造。印制板的设计和制造质量直接影响到整个产品的质量和成本，甚至导致商业竞争的成败。Protel系列电子设计软件是在EDA行业中，特别是在PCB设计领域具有多年发展历史的设计界软件，由于其功能强大，操作简单实用，近年来成为国内发展最快。Protel99已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是由多个模块组成的系统工具，分别是SCH（原理图）设计、SCH（原理图）仿真、PCB（印制电路板）设计、AutoRouter（自动布线器）和FPGA设计等，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。随着计算机事业的发展，在信息化时代，电路设计中的很多工作都可以用计算机来完成。这样就大大减轻了设计人员的体力劳动强度，并且保证了设计的规范性准确性。而Protel99SE技术已越来越为人们所关注,人们利用protel99SE绘制各种原理图，进而制作出各种各样的科技产品已经成为当今世界的一个不可或缺的组成部分，所以说Protel99SE技术已越来越显得重要。2第一章绪论1.1数字钟的研究背景和意义从上个世纪末正式兴起开始，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。在生活节奏日趋加快，工作效率不断提高的今天，时间对于每个人来说都非常的重要。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。单片机模块中最常见的是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。在这种情况下，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。1.2数字钟的发展和趋势尽管单片机以及功能更加强大和各种专门的时钟电路在现时代已经到处可见，却仍然有不少老牌的数字时钟电路正在许多原来的产品中继续使用和运行，本设计采用74LS393、74LS247、74LS160等芯片和八段数码显示管来完成，通过驱动显示屏便能显示时、分。震荡部分采用石英晶体振时基信号源，从而保证了走时的精度。本电路定时调整方便，电路稳定可靠，非常适合广大电子爱好者装配使用。本电路还扩展成定时控制开关等功能。74LS393具有性能稳定，走时功能、定时功能和睡眠功能。这里提供的是可以交流供电、也可以使用直流供电的应用电路。作为直流供电的关键是需要一个高精度的基准频率，需要注意的是：该集成电路的专用显示屏幕属于双阴极供电的类型，比较特殊而且无法与其他电路的屏幕通用，因此，需要保证它们的驱动波形是非常对称的。这交流供电时，如果遇上交流停电，就需要进行“掉电保护”，由干电池保持时钟继续走时，同时，为了节约电池的电能，该设计自动切断显示屏幕的供电，实现了交流掉电时自动消隐。3第二章系统电路绘制2.1电路组成方框图数字钟的主要电路是由电源电路、晶体振荡电路、显示电路、校时电路组成。数字钟电路组成原理图如图2-1所示：图2-1电路原理图2.2电路原理图制作本设计依据74ls393、74ls247、74ls160以及八段数码显示器等芯片组成的电路图，进行原理图的设计。2.2.1原理图环境设置（1）启动Protel99SE，进入Protel99SE设计环境。4（2）执行菜单File|New，系统弹出NewDocument对话框，选择SchematicDocument，命名为11.Sch。（3）打开11.Sch，将图纸大小设为A4，并设置好图纸右下角的表格如下：图2-2原理图设置52.2.2绘制原理图(1)打开11.Sch，添加一些基本的元器件库，可以调用一些基本的RES、CAP、DIODE等等。（2）对于在元件库里找不到的元器件需要在11.Lib里面画如八段数码管、74LS393、74LS247以及电源power。。执行菜单File|New，系统弹出NewDocument对话框，选择SchematicLibraryDocument，命名为选择11.Lib。如下图，(a)NOR-26(b)OR-2（c)NAND-2(d)AND-27(e)LED-8(f)74LS393图2-3自定义元件（3）将元器件进行合理的连线，各原器件要增加封装，以便创建网络表，完成其原理图的绘制，详见附图。2.2.3电气规则检查及网络表输出(1)单击菜单Tools-ERC…,打开“ERC设置”对话框，如下图所示：8若出现错误需要在原理图中更正，直到ERC报告如下图无错误为止。（2）创建网络表单击菜单Design-Createnetlist出现netlistcreation对话框，单击OK完成11.NET的创建，其网络表如下图。9102.3原理图分析2.3.1晶体振荡器振荡器主要用来产生时间标准信号，由石英晶体Y1（f=32768HZ)、反相器IC1-1、IC1-2、电阻以及电容组成。由IC1-2的4脚输出频率为32768HZ的方波。因为数字钟的精度，主要取决于时间标准信号的频率及其稳定度。所以要产生稳定的时标信号，一般是采用石英晶体振荡器。石英晶体不但频率特性稳定，而且品质因数很高，有极好的选频特性。一般情况下，晶振频率越高，准确度越高，但所用的分频级数越多，耗电量就越大，成本就越高，分频器也会增多。所以在确定频率时应考虑两方面的因素，然后在选定石英晶体型号。振荡器下图所示电路通过CMOS非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路，这个电路中，CMOS非门U1与晶体，电容和电阻构成晶体振荡器电路，U2实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈电阻R1为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。电容C1，C2与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个180度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。11晶体XTAL的频率选为32768HZ。该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低，有利于减少分频器级数。C1，C2均为30pF。由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为10MΩ。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。图2-4晶体振荡电路2.3.2分频器分频器由两个74LS393组成。74LS393是4位二进制计数器，32768HZ的方波与IC2的I脚相连，输入时钟脉冲。两个74LS393组成分频器，因此由9脚输出秒脉冲。其电路原理图如下图所示：图2-5分频器电路122.3.3计数器电路计数器由6个74LS160和相应的门，四个2输入与门74LS08、四个2输入与非门74LS00等组成。分别构成60进制“秒”计数器电路、60进制“分”计数器电路和24进制“时”计数器电路。其电路原理图如下图所示：图2-6计数器电路74LS管脚图如下：图2-774LS160管脚图2.3.4显示和译码电路其电路原理图如下图所示：13图2-8显示和译码电路如上图所示译码显示电路由6个74LS247和6个数码管组成。74LS247的管脚图如下：图2-974LS247管脚图2.3.5电源电路电源电路的原理图如下图所示：图2-10电源电路14第三章电源板PCB设计3.1PCB设计规范在任何数字钟设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定，以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析:⑴从原理图到PCB的设计流程建立元件参数－输入原理网表-设计参数设置-手工布局-手工布线-验证设计－复查-CAM输出。⑵参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压，在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距，一般情况下将走线间距设为8mil。焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而且走线与焊盘不易断开。⑶元器件布局实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可行性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行线接得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声；由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品